刘光明

保护层开采以后，周围岩体的原岩应力平衡状态受到破坏，引起应力重新分布，进而周围煤岩体就会向采空区方向移动，特别是下保护层开采后，首先导致采空区上覆岩层的应力降低，进而破断发生垂直位移，同时发生膨胀变形并在被保护层内部产生很多的微裂隙，被保护层的煤层透气性就会成千上万倍的增加，同时这些微裂隙也为煤层瓦斯的流动提供了通道，如果被保护层的瓦斯含量较大，这样被保护层的吸附状态的瓦斯就会不断的解吸，直到下降到平衡，此时再配合被保护层的卸压瓦斯抽放对增加被保护层的保护范围[1-2]。因此，研究保护层开采机理，判别保护层与被保护层的层间关键层结构，并预测层间关键层结构的初次破断及周期破断规律，对研究下保护层开采的卸压保护范围有着十分重要的意义[3]。

1 工程概况

二1煤层为矿井主采煤层，位于二迭系山西组下部，赋存稳定，结构简单，煤厚4.0～15.0 m，平均7.3 m，煤层倾角为5°～25°，平均20°。二1煤底板下50 m以内存在4层煤，如果对其进行回采，形成下位保护层，上覆二1煤层将会得到卸压，出现裂隙，煤层透气性系数将会增加，非常有利于二1煤层瓦斯的抽采和消突，对二1煤层回采区域的安全、高效生产产生积极的作用。

采区主要岩层及物理力学参数如表1所示。

表1 岩体物理力学参数

序号 岩性 厚度/m体积力(MN/m3)抗拉强度σb/MPa弹性模量/MPa 13 中粒砂岩 4.6 0.023 25000 7 12 砂质泥岩 7.3 0.026 11000 2 11 中粒砂岩 3 0.023 25000 7 10 石灰岩 0.7 0.024 22000 5 9 煤线 0.2 0.015 2000 0.2 8 砂质泥岩 1.5 0.026 11000 2 7 中粒砂岩 2 0.023 25000 7 6 砂质泥岩 2 0.026 11000 2 5 中粒砂岩 2.5 0.023 25000 7 4 砂质泥岩 5 0.026 11000 2 3 石灰岩 4.5 0.024 22000 5 2 煤线 0.3 0.015 2000 0.2 1 砂质泥岩 4 2 0.026 11000 0 一8煤层 1.2 0.015 2000 0.2

根据矿方开采设计，选择一8煤层先行开采，作为二1煤层的保护煤层，利用保护层开采产生的顶板裂隙对二1煤层瓦斯进行释放，达到二1煤层安全开采的目的。

2 保护层开采高度的确定

由于一8煤层平均厚度仅有0.8 m，局部煤层厚度0.2～0.3 m，因此需要开采一部分伪顶或砂质泥岩直接顶保证被保护层的卸压效果。当采高分别为1.0 m、1.2 m、1.5 m时可根据冒落带及裂隙带的公式求得冒落带及裂隙的高度[4]，如表2所示。

表2 不同采高的冒落带及裂隙带高度

由表4可知，一8煤层开采1.0 m时，二1煤层完全处在弯曲下沉带中，煤层的增透效果不好；一8煤层开采1.2 m时，二1煤层完全处在裂隙带及弯曲下沉的交界处，煤层有一定的增透效果；一8煤层开采1.5 m时，二1煤层有一部分处在裂隙带内，煤层的增透效果较好。但若开采高度为1.5 m时，就会开采平均0.7 m的矸石，经济上不合理，故一8煤层的采高可定为1.2 m。

3 保护层工作面合理长度的确定

保护层工作面的长度决定着被保护层的解放范围，保护层工作面长度越大，上部被保护层解放的范围就越大；又由于下保护层工作面为首采工作面，鹤壁矿区对薄煤层开采解放层的技术还处于摸索阶段，故下保护层工作面长度不宜过大，认为下保护层3307工作面合理长度应该为能够解放二1煤层工作面平均长度为宜。

3.1 最小工作面长度

3307工作面的最小长度Lmin应该为保护层工作面开采后，上覆岩层不断运移最后达到平衡，二1煤层恰好处在被解放范围的上部，见图1。

图1 工作面最小长度

故最小长度Lmin为：

式中：KM、JN为保护层与被保护层的绝对垂距，平均46 m；δ1、δ2为下保护层开采后对上被保护层的卸压角，°，如表3所示。

表3 保护层沿倾斜的卸压角

故最小长度：

3.2 煤层巷道两帮瓦斯卸压带宽度

二1煤层工作面上下顺槽在开掘后，在顺槽的两帮都有一定的瓦斯卸压范围，可认为这个卸压范围安全不会发生瓦斯突出。

该矿在许多开采过的顺槽做过测试，即向顺槽的两帮打钻孔测两帮钻孔内的瓦斯压力和相对瓦斯含量，历次测试数据如表4所示。

表4 被保护层顺槽钻孔测试参数

由上表可知，测得不同工作面顺槽两帮15 m范围内的煤层瓦斯压力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于8 m3/t，在《防治煤与瓦斯突出规定》规定的范围之内。由于该矿煤层瓦斯覆岩情况变化不大，可认为3307工作面上部的二1煤层顺槽在掘进之后两帮15 m以内的煤层瓦斯压力都小于0.74 MPa，瓦斯含量都小于 8 m3/t。

3.3 保护层的合理长度的确定

设3307工作面的合理长度为L18，二1煤层的长度为L21，二1煤层顺槽两帮的卸压宽度为Lhd，则由图2可知，3307工作面的合理长度L18为：

整理得：

图2 下保护层工作面合理长度

二1煤层工作面长度一般为105～150 m，取平均值为120 m，则下保护层3307工作面的合理长度为：

3307工作面上下顺槽宽度都是3.2 m，故3307工作面仅需106-6.4=99.6 m即可，因此取3307工作面长度为100 m。

4 结语

对比二1煤层下部四层薄煤层的条件，最终选择了一8煤层作为保护层。通过经验公式计算得当一8煤层开采高度为1.2 m时，二1煤层正好处在裂隙带上部及弯曲下沉带下部，最终确定了一8煤层工作面的采高为1.2 m。

〔1〕马占国，涂 敏，马继刚.远距离下保护层开采煤岩体变形特征[J].采矿与安全工程学报，2008（3）：362-367.

〔2〕邵景忠.区域性防治瓦斯突出措施-解放层的分类、作用原理及应用[J].煤炭技术，2008（6）：162-164.

〔3〕王延生.上保护层开采及卸压瓦斯抽采的消突效果研究[J].山西焦煤科技，2017（Z1）：39-43.

〔4〕刘彦鹏.基于UDEC的近距离上保护层开采数值模拟研究[J].能源与环保，2017（9）：62-64.

〔5〕刘艳红.晋中矿区突出煤层上保护层开采总体方案研究[J].山西焦煤科技，2017（7）：77-79.

〔6〕高 翔，龙贺.近距离上保护层采动效应的数值模拟及分析[J].山西焦煤科技，2017（7）：47-49.